基于立體投影和3DEC的某水電站裂隙巖體邊坡穩定性研究

趙淵，王亮清，周鵬

(1.武漢市勘察設計有限公司，湖北 武漢 430022； 2.中國地質大學(武漢)，湖北 武漢 430074；3.中交第二航務工程局有限公司技術中心，湖北 武漢 430040)

基于立體投影和3DEC的某水電站裂隙巖體邊坡穩定性研究

趙淵1*，王亮清2，周鵬3

(1.武漢市勘察設計有限公司，湖北 武漢 430022； 2.中國地質大學(武漢)，湖北 武漢 430074；3.中交第二航務工程局有限公司技術中心，湖北 武漢 430040)

裂隙巖體邊坡穩定性研究是國內外巖土工程領域研究的熱點問題，傳統方法在評價裂隙巖體邊坡穩定性時具有諸多限制。本文以某水電站溢洪道開挖邊坡為例，提出了考慮確定性結構面與隨機性結構面，基于立體投影和3DEC的裂隙巖體邊坡穩定性分析方法。在水電站工程地質調研的基礎上，確定了優勢結構面，開展了結構面力學參數的現場試驗，采用立體投影方法進行了設計邊坡角下邊坡可能滑動模式分析；依據可能的滑動模式，建立了三維非連續地質模型與數學力學模型，進行了自然、暴雨、地震三種工況下的位移與穩定性分析。該成果為裂隙巖體邊坡穩定性研究提供了一種新的高效的方法，對相似工程具有借鑒作用。

節理巖體；破壞模式；邊坡穩定性；立體投影；非連續數值模擬

1 前 言

隨著經濟的發展，大批水電工程、公路、鐵路工程在工程地質條件的裂隙巖體山區修建，而工程建設中將會破壞原有自然斜坡的穩定性，威脅著生命財產安全。因此如何高效準確的評價由結構面控制的裂隙巖體邊坡的穩定性有著重要的意義[1，2]。結構面在邊坡穩定性研究中包括數量優勢或規模優勢的確定性結構面與規模較小或數量較少的隨機性結構面，前者主要影響邊界條件或幾何模型，后者主要影響計算參數。

對于隨機裂隙巖體而言，國內外常用的邊坡穩定性研究方法有工程地質類比法[3，4]、極限平衡法[5，6]、模型試驗法[7，8]和數值模擬法[9，10]。工程地質類比法雖能綜合考慮各影響邊坡穩定的因素，但類比條件因地而異、經驗性強，一般有經驗的工程師才能給出較好的判斷。極限平衡法無法反映邊坡變形破壞的過程，需要首先確定假想的滑動面，而假想的滑動面局限性、隨機性很大[1]。模型試驗法花費較大，僅用于大型工程，很難準確反映研究區所處的環境條件。在數值模擬方法方面，常用連續介質和非連續介質的方法分析。連續介質分析大多考慮不同風化程度的巖體邊坡的變形破壞過程，當考慮結構面系統對巖體邊坡變形破壞的影響時存在一些局限。而非連續介質法，特別是離散元法，可反映復雜的巖體結構，具有宏觀上的不連續性，不僅可以評價節理巖體邊坡穩定性，還可較真實地刻畫出節理巖體邊坡的變形變化特征及破壞過程[11～14]。

離散元法由Peter Cundall(1971)首先提出[15，16]。目前常用的離散元軟件為ITASCA 開發的UDEC 及3DEC 軟件[17]。離散單元法是當前研究邊坡穩定性比較流行的非連續變形方法之一，國內外一些學者從不同的角度采用離散單元法進行了邊坡穩定性研究。李世海等(2002)用3DEC模擬了三峽永久船閘高邊坡開挖后沿節理面的滑移過程。張沖等(2006)用3DEC對拱壩―壩肩進行了三維可變形離散元整體穩定分析。寧宇等(2007)利用3DEC軟件結合強度折減法對某水電站高邊坡進行了穩定性分析。孟國濤等(2007) 用3DEC對一典型的反傾向層狀結構巖質高邊坡進行了模擬，分析了進水口邊坡在開挖、加固作用下的變形狀況和穩定性。鄭文棠等(2007)用3DEC進行了復雜邊坡三維地質可視化和數值模型構建，探討加錨方法、三維合位移等值線云圖和塑性區可視化實現。巨能攀等(2009)基于塊體理論，用3DEC研究了邊坡的穩定性。朱永生等(2011)基于3DEC分析了白鶴灘水電站復雜塊體穩定性，并給出了加固建議[18～23]。M.Brideau等(2011)用3DEC對加拿大阿爾伯塔省亞省鴉巢峽南峰的邊坡的穩定性進行了分析，考慮了個別的不連續面、尺寸效應和內摩擦角的影響。G.Firpo等(2011) 通過3DEC法用地面數字測量法分析了巖石邊坡的穩定性。M.Brideau等(2012) 用3DEC模型對平面平移下的邊坡破壞機制進行了運動學的控制評價。K.S.Kalenchuk等(2013)考慮原位數據和三維數值模擬模型(3DEC)闡述了唐尼邊坡的地質力學解釋。M.Curtaz等(2014) 用地面攝影測量法和3DEC數值模擬法對高山地區的巖石邊坡進行了穩定性分析[24～28]。

綜合以上研究成果：采用3DEC進行邊坡穩定性研究仍存在以下不足：①基于具體工程和工程地質條件的差別，進行分區分段，采用3DEC開展研究的成果較少；②在3DEC建模分析時，對確定性結構面與隨機結構面的分析不夠深入；③基于工程地質分區分段，考慮確定性結構面與隨機性結構面，采用立體投影和3DEC進行裂隙巖體邊坡穩定性分析的成果目前尚未有報道。

基于此，本文以某水電站溢洪道開挖邊坡為例，提出了在工程地質分區分段的基礎上，考慮確定性結構面與隨機性結構面，基于立體投影和3DEC法的裂隙巖體邊坡穩定性研究方法。即對邊坡區優勢結構面及力學參數進行研究，采用立體投影法進行了邊坡可能滑動模式的確定，建立了真實的三維地質模型與數學力學模型，采用3DEC法進行了自然、暴雨、地震工況下考慮不同滑動模式邊坡的變形與穩定性研究。研究成果為類似邊坡穩定性研究提供了一種新的高效的方法。

2 地質背景

2.1地質條件

某水電站下壩址溢洪道開挖邊坡由弱風化為主的英安巖巖體組成。根據設計資料可知，左坡坡長 48 m，坡高 40 m，坡角53°，設計開挖兩級，開挖坡面呈階梯狀，坡面傾向為68°。右坡較左坡大，坡長 101.5 m，坡高 80 m，坡角55°，設計四級開挖，坡面傾向為248°。溢洪道開挖邊坡工程地質剖面圖如圖1所示。

圖1 溢洪道開挖邊坡工程地質剖面圖

2.2工程分區及優勢結構面的確定

通過平硐編錄資料及現場精細測量的數據進行結構面統計分析，根據結構面走向節理玫瑰花圖及節理極點等值線圖對結構面進行優勢分組(見圖2)，確定了溢洪道開挖邊坡區優勢結構面的產狀，如表1所示。

溢洪道巖體優勢結構面及長大裂隙產狀 表1

圖2 溢洪道巖體結構面走向節理玫瑰花圖及裂隙極點等值線圖

在確定優勢結構面產狀后，區分結構面屬于確定性結構面還是隨機性結構面。確定性結構面指工程中的長大裂隙、產狀類似數量眾多的優勢結構面，隨機性結構面指工程中分布較少且不均的小型非貫通裂隙。對于工程巖體而言，邊坡區常見的結構面分布情況為：①全為隨機性結構面；②有一組為確定性結構面，其余為隨機性結構面；③有兩組或以上的結構面為確定性結構面，其余為隨機性結構面。確定性與隨機性結構面的不同組合情況如圖3所示，其中②可能沿確定性結構面發生平面滑動，③可能沿兩組確定性結構面發生楔形體滑動。

圖3不同結構面的組合情況示意圖

結合現場地質情況，綜合確定本區優勢結構面在之后穩定性研究中按照確定性結構面考慮。

根據工程地質條件與工程特點進行分區分段。鑒于實際工程的復雜性及規模性，要想系統明確的對其分析，有必要從地層巖性、工程方向、風化程度、優勢結構面產狀等幾方面對工程區進行分區分段討論。而對本工程而言，根據溢洪道邊坡區的巖性、溢洪道走向、風化程度和結構面產狀特點，可將溢洪道開挖邊坡分成一段進行穩定性評價，典型地質剖面見圖1。

2.3結構面與巖體力學性質參數的確定

結構面力學參數的確定，包括確定性結構面、隨機性結構面及假想結構面。確定性結構面力學參數需要根據室內外試驗資料進行擬合，根據分布特點確定力學參數；隨機性結構面力學參數可以根據現場試驗、經驗估算或連續(有限單元法) 與非連續數值試驗(離散單元法與顆粒流方法)確定表征單元體體積與相應的力學參數。在利用3DEC進行非貫通結構面建模的過程中需要引入輔助面——假想結構面，“假想結構面”由Kulatilake等(1992)[29]，Wang和Kulatilake(1993)[30]提出，是指力學性質與完整巖塊一致的結構面。假想結構面的參數可用實驗法及估算法確定，Kulatilake等(1992)[29]給出了假想結構面的建議取值方法，吳瓊[31]改進了假想結構面變形參數的估算公式。

由上，依據經驗類比與參數估算方法綜合確定了水電站裂隙巖體邊坡巖體的力學參數(如表2所示)。根據現場原位試驗、室內試驗與經驗類比綜合確定了確定性結構面的力學參數(如表3所示)。假想結構面力學參數的選取賦值，主要依據Kulatilake等(1992)[29]提出的理論與經驗估算方法[31]進行綜合取值(如表3所示)。

巖體力學參數取值表 表2

結構面力學參數取值表 表3

3 基于立體投影的邊坡破壞模式確定

根據立體投影方法及工程設計的幾何參數確定發生平面滑動與楔形體滑動的可能性。對于以確定性結構面為主的邊坡，發生平面滑動和楔形體滑動的可能性較大；對于以隨機性結構面為主的邊坡，在穩定性研究中將隨機性結構面的影響反映在參數弱化上。

3.1左坡模式分析

根據表1優勢結構面統計資料與邊坡開挖面的設計邊坡傾向與傾角，采用立體投影法分析邊坡的破壞模式，本文采用平均坡角(53°)進行分析，邊坡產狀如圖4(a)的線8所示。由圖4(a)分析可知，左幫邊坡發生平面滑動破壞的可能性較小，但可能會沿J1、J5結構面交線或J2、J4結構面交線產生楔形體破壞。

3.2右坡模式分析

分析右坡破壞模式，平均坡角取55°，邊坡產狀如圖4(b)線8所示。由圖4(b)分析可知，右坡產生平面滑動J6的可能性較大，沿J1、J6或J2、J6或J4、J6結構面交線產生楔形體破壞的可能性也較大。

圖4 基于赤平投影的斜坡破壞模式分析

4 基于立體投影的裂隙巖體邊坡穩定性研究

4.1模型的建立

為了進一步驗證上述邊坡的破壞模式，并對邊坡的穩定性進行定量分析，采用3DEC離散元軟件建立三維模型對邊坡的變形破壞進行模擬。根據研究區的地質條件，模型考慮了強風化、弱風化上帶、弱風化下帶(水上)弱風化下帶(水下)。模型主要考慮引起邊坡可能破壞模式的確定性結構面，其他隨機性結構面反映在巖體計算參數的弱化上。分別建立了考慮左坡J15(2楔形體破壞)、J24(4楔形)，右坡J16(1楔形)、J26(3楔形)、J46(5楔形)和J6(1平面破壞)破壞模式的3DEC模型。模型以最危險的方式考慮，結構面無限延伸且剪出口位于坡角處。模型計算范圍長 445 m，寬 80 m，最高點高 399.4 m。計算采用莫爾- 庫侖屈服條件的彈塑性模型[24]。所建3DEC模型如圖5示(以1楔形為例)。

圖5 3DEC數值模型及結構面示意圖(1楔形)

4.2計算結果分析

本文從穩定性系數和位移兩方面分析了溢洪道左右邊坡在自然、暴雨、地震條件下的穩定性。為了較精細研究邊坡穩定性，以兩坡臺階處的點作為監測點，如圖1中所示，具體坐標為：對左坡2、4楔形體破壞取1(164.86，24，357.78)、2(181.01，45，337.99)、3(190.11，39.11，319.36) ，對右坡1、3、5楔形體破壞取4(343.53，40，390.75)、5(329.4，40，381.87)、6(312.9，40，360.47)、7(297.1，40，341.22)、8(285.4，40，317.95)，對1平面破壞取9(343.53，0，390.75)、10(329.4，0，381.87)、11(312.9，0，360.47)、12(297.1，0，341.22)、13(285.4，0，317.95)。

(1)穩定性系數分析

利用3DEC軟件根據強度折減原理，直到邊坡恰好達到臨界破壞狀態，將此時的折減系數作為邊坡穩定性系數。表4給出了溢洪道左右邊坡在6種破壞模式下不同工況的穩定性系數，可以看出穩定性系數按自然、暴雨、地震工況遞減，且地震條件對穩定性系數的減少更為明顯，說明該處受地震影響較大。計算結果表明：①左坡(由2、4楔形體破壞控制)在三種工況下的穩定性系數均大于1.2，處于穩定狀態。②右坡(由1、3、5楔形體和1平面滑動破壞控制)在自然工況下，3楔形體破壞模式的穩定性系數大于1.2，處于穩定狀態；1、5楔形體破壞的穩定性系數在1～1.2，處于基本穩定狀態，邊坡有發生滑動的可能；1平面滑動的穩定性系數小于1，發生滑動的可能性較大。③在暴雨工況下，3楔形體破壞模式的穩定性系數大于1.2，處于穩定狀態；1楔形體穩定性系數在1～1.2，處于基本穩定狀態；5楔形體破壞、1平面滑動的穩定性系數小于1，發生滑動的可能性較大。④在地震工況下，3楔形體破壞模式的穩定性系數在1～1.2，處于基本穩定狀態，1、5楔形體破壞和1平面滑動的穩定性系數小于1，發生滑動的可能性較大。

不同破壞模式下不同工況的穩定性系數 表4

(2)位移分析

用3DEC軟件可較真實、動態地模擬邊坡塊體的變形特征及破壞過程，如圖6為沿1楔形體破壞的右坡在地震工況下的x位移云圖，從圖中可清晰看出結構面切割出的楔形體發生了整體下滑，并且坡角處位移最大，達到 15 m。圖7、8、9為各破壞模式下邊坡在三種工況下的監測點的x位移(均以滑離原坡的方向為正)?？煽闯龈鞴r下不同破壞模式的位移變化趨勢基本相同，2、3、4楔形體破壞模式位移基本不變，在幾厘米左右，1、5楔形體及1平面滑動破壞模式的位移變化較為明顯，并且都是在坡角處變化最為明顯。暴雨工況下各破壞模式的位移較自然工況有所增加，但均為幾十厘米，而地震條件對位移影響非常明顯，變形大的在 15 m～30 m左右，變化趨勢和穩定性系數分析較吻合。

圖6 沿1楔形體破壞的邊坡在地震工況下的X位移圖

圖7 各破壞模式下邊坡在自然工況下的監測點的x位移

圖8 各破壞模式下邊坡在暴雨工況下監測點的x位移

圖9 各破壞模式下邊坡在自然工況下的監測點的x位移

5 結 論

(1)本文采用立體投影和3DEC的方法，對某水電站溢洪道裂隙巖體邊坡的穩定性進行了研究，該方法可以全面地反映平面滑動與楔形體滑動對邊坡穩定性的影響。

(2)本文從穩定性系數與位移兩個方面對溢洪道左、右幫邊坡在自然、暴雨與地震工況下穩定性進行了研究，研究結果表明：①左幫邊坡穩定性較右幫好；②暴雨、地震對邊坡的穩定性有削弱作用，地震的影響更為明顯。對各破壞模式而言，暴雨使穩定性系數減少了0.01～0.2，地震使之減少了0.24～0.86，暴雨使位移增加了幾十厘米，地震使位移增加了幾十厘米到幾十米。其中地震使1楔形體破壞、5楔形體破壞和1平面滑動破壞的位移達到 15 m～30 m。③對于右幫邊坡，三種工況下穩定性系數為3楔形體破壞>1楔形體破壞>5楔形體破壞>1平面滑動破壞，與位移分析相類似。

(3)本文在研究過程中為了保守起見，假設結構面為無限延伸且通過坡腳的確定性結構面。

致謝：本文相關資料是由中國水電顧問集團貴陽勘測設計研究院提供，在此表示衷心感謝！

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TheStudyfortheJointedRockMassSlopeStabilityofAHydropowerStationBasedontheStereographicProjectionand3DECMethod

Zhao Yuan1，Wang Liangqing2，Zhou Peng3

(1.Wuhan Geotechnical Engineering and Surveying Co.，Ltd.，Wuhan 430022，China； 2.Faculty of Engineering，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China； 3.China Communications Construction Company Second Harbour Engineering Co.，Ltd National Enterprise Technology Center，Wuhan 430040，China)

The study for slope stability is the hot issue in geotechnical engineering field at home and abroad，and the traditional method for evaluating the jointed rock mass slope stability has many limits. The spillway excavation slope of a hydropower station in Tibet was taken as a case study，and the study method for slope stability of jointed rock mass based on stereographic projection and 3DEC method，with taking deterministic and random discontinuities into account，was put forward in this paper. The preferred discontinuities were determined on the basis of engineering geological research，the in-situ tests of mechanical parameters of discontinuities were carried out，and the possible sliding modes of slope with the designed slope angle were analyzed by using stereographic projection method. The 3D discontinuous geologic and mathematical mechanical model was built to analyze displacement and stability in nature，heavy storm and earthquake conditions. The achievements provide a new efficient way for jointed rock mass slope stability study，and give guidance for similar engineering.

jointed rock mass；failure mode；slope stability；stereographic projection；discontinuous numerical simulation

1672-8262(2017)05-153-07

P642

A

2017—07—14

趙淵(1989—)，女，碩士，主要從事巖體工程性質與穩定性方面的研究。

王亮清(1972—)，男，教授，博士生導師，主要從事巖土體穩定性與地質災害防治的教學與科學工作。

國家自然科學基金資助(41372310)；中央高?；究蒲袠I務費專項資金資助(CUG090104)。